Трещины в отливках. Виды трещин. Меры предупреждения трещин.

Трещины представляют собой частичное или полное разруше­ние сечения отливки, вызванное достижением предела прочности сплава растягивающими напряжениями, развивающимися в результате противодействия тех или иных сил усадке в твердом со­стоянии.

Горячие трещины имеют черную окисленную поверхность и значительное расхождение между краями; они образуются вблизи температур кристаллизации, когда в средней части отливки имеется жидкий металл. Холодные трещины имеют блестящую поверхность, обычно с цветами побежалости и незначительным расхождением между краями; они образуются при низких температурах (ниже 700° С для стали и чугу­на) после полного за­твердевания отливок.

Зарождение и развитие трещин в отливках определяются четырь­мя группами факторов: 1) податливостью формы, а также ее тешюфизи-ческими свойствами и конструкцией; 2) конструкцией отливки (наличи­ем тепловых узлов и сочетанием различных сечений, способом подвода металла и т.д.); 3) условиями формирования отливки, определяющими последовательность затвердевания ее частей, а также возможность по­лучения заданной макро- и микроструктуры сплава; 4) усадочными, ме­ханическим и теплофизкческими свойствами, а также характером его кристаллизации. Технологические условия литья влияют путем измене­ния кинетики формирования отливки.

Борьба с горячими трещинами большей частью осуществляется технологическим путем

1) увеличение податливости формы за счет применения подат­ливых формовочных смесей (например, введения в них древесных опилок) и создания полостей в тех частях формы, которые рас­полагаются между выступающими частями отливок;

2) упрочнение слабых мест в отливках. Это может достигаться, во-первых, путем установки холодильников, во-вторых, установки ребер жесткости, в-третьих, создания плавных переходов в со­пряжениях;

3) устранение выступающих частей в отливках путем измене­ния конструкции детали или расчленение их на более простые узлы с последующей сваркой (может применяться лишь как крайняя мера);

4) снижение температуры и скорости заливки, если это не вызывает других дефектов в отливке. Ослабление местных разогревов за счет выбора рациональной конструкции литниковых систем;

5) снижение содержания в сплаве примесей, способствующих развитию интервала хрупкости, например, в железных сплавах к таким примесям относятся сера, фосфор, водород.

6) введение небольших технологических до­бавок, модифицирование - все это может значительно увеличить трещиноустойчивость сплава и резко снизить брак по горячим трещинам без изменения технологии изготовления формы и конструкции отливки или тепловых условий ее формирования

69. Факторы, влияющие на возникновение напряжений и трещин в отливках. Механизм образования этих дефектов. Мероприятия по их предупреждению или устранению

Внутренние напряжения возникают вследствие усадки сплава и действия сил, препятствующих усадке (или уменьшению размеров). В зависимости от сил, препятствующих сокращению размеров отливки (или ее элементов), напряжения условно подразделяются на следующие виды:

- усадочные, когда торможение усадке обусловлено внешними силами (сопротивление формы, стрежней, оснастки и т.д.);

- термические, вызываемые неоднородным охлаждением и, следовательно, смещением усадки во времени различных элементов отливки;

- фазовые, возникающие в отливке в результате протекания фазовых превращений, сопровождающихся изменением объема.

Трещины представляют собой частичное или полное разрушение сечения отливки, вызванное достижением предела прочности сплава растягивающими напряжениями, развивающимися в результате противодействия тех или иных сил усадке в твердом состоянии. Трещины принято делить на горячие и холодные.

Холодные возникают в хрупких сплавах при быстром охлаждении или ударах. Меры: установка холодильников на толстых сечениях, прямой подвод металла к отливке, более внимательное отношение или изменение метода выбивки, очистки, обрубки отливок.

На возможность образования трещин в отливках оказывают влияние следующие факторы:

1) усадка сплава в твердом состоянии; 2) механические свойства (прочность, пластичность и упру гость) сплава при высоких температурах; 3) особенности затвердевания, в наибольшей степени образование («слабых мест» в твердой корке); 4) податливость формы, т.е. сопротивление усадке отливки.

Горячая трещина образуется тогда, когда усадочная деформация превзойдет допустимую деформацию в интервале хрупкости. Если интервал хрупкости захватывает широкую область температур и соответствует низким величинам относительного удлинения, но усадка в этом интервале мала, а тем более, если при этих температурах происходит предусадочное расширение, трещина не образуется. С другой стороны, предотвратить образование трещины может быстрый рост прочности при понижении температуры. Если усадочные напряжения не достигнут предела прочности за весь период охлаждения корочки, возникающей на отливке в начальной стадии затвердевания, горячая трещина уже не образуется. Напряжения в твердой корке, усадка которой тормозится, достигнут максимума в том месте, где корочка имеет минимальную толщину. Такие «слабые места» возникают во входящих углах сопряжений; в них обычно и образуются трещины.

Для снятия напряжений обычно используют термическую обработку различных видов. При отжиге I рода температура нагрева не связана с температурой фазовых превращений. Отжиг стальных и чугунных отливок обычно производится при температуре 450-650 ˚C в течение 2-10 ч. Отливки из алюминиевых сплавов отжигают при 250-350 ˚C. С повышением температуры нагрева скорость релаксации напряжений резко возрастает, и, следовательно, сокращается необходимая длительность отжига. Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией сплава, поэтому он наиболее полно снимает напряжения в отливках и одновременно исправляет крупнозернистую зернистую структуру в сталях и некоторых сплавах.

Крупногабаритные чугунные отливки (базовые детали станков и т.п.) для частичного снятия остаточных напряжений и предотвращения коробления иногда подвергаются длительному вылеживаю с течение нескольких месяцев при температуре окружающей среды. Этот процесс обычно называют естественным старением, что не соответствует технологии, принятой в металловедении.

Борьба с горячими трещинами большей частью осуществляется технологическим путем (увеличением податливости форм, изменением конструкции отливки и т.д.), так как марка сплава обусловлена технологическими условиями и не может произвольно изменяться. Однако нельзя недооценивать роль структуры и свойств сплава. Незначительные изменения химического состава (в пределах допуска), снижение содержания вредных примесей, введение небольших технологических добавок, модифицирование – все это может значительно увеличить трещиноустойчивость сплава и резко снизить брак по горячи трещинам без изменения технологии изготовления формы и конструкции отливки или тепловых условий ее формирования.

70. Трещины горячие и холодные. Процесс образования горячих трещин в отливках.

В зависимости от температурных условий образования трещины подразделяются на горячие и холодные. Горячие трещины обычно имеют усадочное происхождение и возникают в интервале температур затвердевания сплава. Они проходят по границам макрозерна и имеют неровную окисленную поверхность, на которой иногда видны дендри-ты. В крупных дендритах горячие трещины могут образовываться по периферии дендритных ячеек. Холодные трещины возникают вследст­вие высоких внутренних напряжений в отливке. Они обычно имеют гладкую светлую или зернистую поверхность с цветами побежалости.

Зарождение и развитие трещин в отливках определяются четырь­мя группами факторов: 1) податливостью формы, а также ее тешюфизи-ческими свойствами и конструкцией; 2) конструкцией отливки (наличи­ем тепловых узлов и сочетанием различных сечений, способом подвода металла и т.д.); 3) условиями формирования отливки, определяющими последовательность затвердевания ее частей, а также возможность по­лучения заданной макро- и микроструктуры сплава; 4) усадочными, ме­ханическим и теплофизкческими свойствами, а также характером его кристаллизации. Технологические условия литья влияют путем измене­ния кинетики формирования отливки.

Наиболее характерны для отливок горячие трещины, кинетика образования которых изучалась А.А. Бочкаревым, Г.Т. Гудковым и их учениками. Было установлено, что горячие трещины зарождаются с мо­мента перехода сплава в твердожидкое состояние при температуре ниже температуры образования твердого скелета 1_СК и начала свободной ли­нейной усадки, то есть в эффективном интервале затвердевания. Горя­чие трещины образуются вследствие торможения свободной усадки со стороны формы или стержней и локализации возникающей при этом деформации растяжения. Склонносгь сплавов к образованию трещин связана с шириной температурного интервала кристаллизации. Формирование усадочных напряжений а_ус происходит в период прохождения сплавом эффектив­ного интервала затвердевания, причем максимум сг_ус соответствует мак­симуму А1₃аг_В³*- В то же время из-за образования жидких прослоек по границам зерен запас пластичности \|/ в этих сплавах минимален (рис. 5.30). В связи с этим сплавы склонны к образованию горячих трещин и имеют минимальную трещиноустойчивость.

В системах с небольшой растворимостью в твердом состоянии сплавы с минимальной трещиноустойчивостью имеют концен­трацию вблизи С_р, в системах со значительной растворимостью набольшее количество трещин отмечается в сплавах с концен­трацией меньше С_р, то есть соответствует точке С'_р. В чистых металлах и узкоинтервальных сплавах с большим количеством эвтектики разви­вается последовательная кристаллизация, дендриты не разделяются прослойками жидкой фазы, трещиноустойчивость имеет максимальные значения. Развитие горячих трещин зависит также от макро- и микро структуры сплавов. Наибольшей трещиноустойчивостью обладает рав­номерная мелкозернистая макро- и микроструктура, значительно мень­шей - крупнозернистая равновесная структура

Борьба с горячими трещинами большей частью осуществляется технологическим путем (увеличением податливости форм, изменением конструкции отливки и т.д.), так как марка сплава обусловлена техноло­гическими условиями и не может произвольно изменяться. Однако нельзя недооценивать роль структуры и свойств сплава. Незначитель­ные изменения химического состава (в пределах допуска), снижение со­держания вредных примесей, введение небольших технологических до­бавок, модифицирование - все это может значительно увеличить тре-щиноустойчивость сплава и резко снизить брак по горячим трещинам без изменения технологии изготовления формы и конструкции отливки или тепловых условий ее формирования.

 

 

Рис 5.30. Изменение усадочных свойств сплавов в эвтектической системе; бус_ус — усадочные напря­жения; Е — деформация; Ф — запас пластичности; n - склонность к образованию горячих трещин